电气化铁路对长输管道的交流干扰及防护

沈光霁,赵建涛,刘振斌,王健新,王洪林

(1. 沈阳龙昌管道检测中心，沈阳 110034； 2. 中石油山东输油有限公司，日照 276800)

电气化铁路对长输管道的交流干扰及防护

沈光霁1,赵建涛2,刘振斌2,王健新2,王洪林2

(1. 沈阳龙昌管道检测中心，沈阳 110034； 2. 中石油山东输油有限公司，日照 276800)

我国电气化铁路的牵引供电系统采用单相工频(50 Hz)25 kV交流制式，当长输管道与其近距离并行或交越时，电气化铁路会通过电阻耦合的方式对临近埋地段管道产生不同程度的交流干扰，加剧管道交流腐蚀风险。固态去耦合器接地排流是近年来国内广泛流行的防护方法，日东线排流工程实践表明：采用适当规格的固态去耦合器、以及合理的接地材料和施工方式，可以有效抑制管道的交流干扰，能够满足相关标准要求。

管道；电气化铁路；交流干扰；固态去耦合器；排流

目前，长输管道均采用外防腐蚀层和阴极保护相结合的防腐蚀体系，这种措施可有效防止管道外腐蚀的发生。但是，当存在交流干扰时，即使阴极保护系统提供有效保护，在管道的防腐蚀层缺陷处也可能发生交流腐蚀；当管道交流干扰电压过大时，还有可能对附属设备及操作人员的安全造成威胁；此外，交流干扰还会影响阴保系统恒电位仪的正常运行，使管道得不到有效的阴极保护。因此，减缓管道的交流干扰，及时开展排流防护工程就显得尤为重要。

目前，国内长输管道的交流干扰源主要可分为电气化铁路和高压输电线两大类[1]。电气化铁路牵引供电系统通过电阻耦合的方式，高压输电线通过电磁耦合(感应耦合)的方式对临近的埋地管道产生交流干扰[2]。本工作根据GB/T 50698-2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》对日东线受干扰管段的干扰状况进行调查与检测；然后，根据调查和检测的结果，制定有针对性的干扰防护方案并加以实施及调整；最后，全部防护工程完成后，对管道及保护系统进行防护效果评定。

1 管线概况

日东线(原油管线)平邑清管站至兖州输油站管段与新石线(交流电气化铁路)存在近距离并行、交越情况，如图1所示。并行段(K185～K245)长度接近60 km，交越点有2处(K188、K240)，平均间距为500 m，最近间距为20 m(K233),最远间距约为1 500 m(K224)。该地段沿线地貌以山地、平原为主，土壤类型主要为黏土、沙土，周围环境多为农田，山地管段土壤电阻率较高。

图1 日东线与新石线的示意图Fig. 1 Sketch map of Ridong pipeline and Xinshi railway line

2 干扰测试

2.1 测试方法

管道交流电位采用储存式杂散电流测试仪进行测试，测试点利用现有管道测试桩(102个)，间距约1 km，数据采样频率1次/s，测试时间24 h，参比电极采用钢棒电极，与管道距离大于10 m。由于与铁路并行的原油管段已有65个管道测试桩，且在特殊位置点均增设了测试桩(包括并行段的起始点、交叉点、间距最大及最小点等)，因此，测试桩处的管道交流电位分布即可以代表整个并行段管道的交流干扰情况，无需增加其它测试位置，后期防护设计也只考虑测试桩位置。

管道沿线土壤电阻率测试采用温纳四极法，测量深度为2 m，具体方法参照GB/T 21246-2007《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》。

管道交流电流密度现场测量较难，因此，参照GB/T 50698-2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》，按公式(1)计算得到。

式中：JAC为评估的交流电流密度，A/m2；U为交流干扰电压有效值的平均值，V；ρ为土壤电阻率，Ω·m，取交流干扰电压测试时，测试点与管道埋深相同的土壤电阻率实测值；d为破损点直径，m，按发生交流腐蚀最严重考虑，取0.011 3。

2.2 判定指标

交流干扰判定参照GB/T 50698-2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》。当管道的交流干扰电压不大于4 V时，交流干扰程度为弱，可不采取交流干扰防护措施。当交流干扰电压大于4 V时，应采用交流电流密度指标判定：JAC<30 A/m2时，交流干扰程度为弱，可不采取交流干扰防护措施；30 A/m2100 A/m2时，交流干扰程度为强，干扰程度为中或强时，应排查干扰来源，采取措施或提出建议消除干扰。

2.3 测试结果

管道交流电位分布曲线见图2，管道交流电流密度分布曲线见图3，典型测试点管道交流电位-时间曲线见图4。测试结果显示：测试管段存在明显的交流干扰，且总体干扰程度相对较强，交流干扰程度统计见表1，干扰程度为强的测试点数据见表2。通过现场监测发现，在列车通过时段，管道交流电压明显增大，而列车通过后，管道交流电压又保持相对平稳，因此判断干扰源为临近的新石线交流电气化铁路。

图2 管道交流电位分布Fig. 2 AC potential distribution of pipeline

3 排流设计

综合考虑管道沿线的交流干扰程度、土壤电阻率、地形地貌及周边环境等情况，本次排流工程以兼顾效率、经济为原则，采用固态去耦合器接地排流方式[3]，主要由排流接地体、排流引线、排流器等组成，

图3 管道交流电流密度分布Fig. 3 AC current density distribution of pipeline

见图5。干扰管段共安装11处防护设施，分为两期进行安装：第一期安装10组，第二期根据第一期防护效果再安装1组，具体位置及参数见表3。

4 效果评价

4.1 评价指标

排流效果评价参照GB/T 50698-2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》，在土壤电阻率不大于25 Ω·m的地方，管道交流干扰电压低于4 V；在土壤电阻率大于25 Ω·m的地方，交流电流密度小于60 A/m2。

图4 典型测试点(K200+494 m)管道交流电位-时刻曲线Fig. 4 AC potential of pipeline vs time curve of the typical test point (K200+494 m)

表1 交流干扰程度统计Tab. 1 Statistics of AC interference degree

表2 交流干扰程度为强的测试点数据
Tab. 2 Data of test points with strong AC interference degree

测试桩号测试点位置交流电位/V电流密度/(A·m-2)交流电流密度频次比最大值平均值最大值平均值<3030～100>100261K186+491m88.438.591356.77131.805%43%52%262K187+530m79.118.931173.65132.486%42%52%275K196+510m81.0212.93600.9995.9110%52%38%277K198+464m99.7512.54832.85104.7014%46%40%278K199+485m82.3613.58717.70118.3411%44%45%280K200+494m86.3913.781062.19169.433%36%61%285K204+521m100.2411.43873.5199.6015%53%32%299K214+579m104.1414.491090.97150.354%45%51%303K217+552m100.6113.541121.78150.977%43%50%

图5 固态去耦合器接地排流示意图Fig. 5 Sketch map of electrical drainage by grounding using solid-state decoupler

4.2 评价结果

4.2.1 管道交流电位对比

第一期防护设施安装前后管道交流电位分布曲线见图6，典型测试点管道交流电位曲线见图7。检测结果显示：第一期排流设施安装后，各测试点管道交流电位最大值及平均值均明显减小，排流效果显著，防护设施有效抑制了管道的交流干扰；仅在K189～K195管段交流电位平均值大于4 V，需在K194+396 m处安装第二期的1组排流设施。

表3 干扰管段防护工程设计
Tab. 3 Protection engineering design of AC interference section

工期序号排流点位置(测试桩)固态去耦合器阀值范围/V排流接地体材料数量铺设方式周围环境1K187+530mϕ50mm×5mm×7500mm无缝钢管11卧式农田+山地2K193+442mϕ50mm×5mm×2500mm无缝钢管36立式农田3K196+510mϕ50mm×5mm×7500mm无缝钢管11卧式农田+山地4K200+494mϕ50mm×5mm×7500mm无缝钢管11卧式农田+山地第一期5K204+521m-2～2ϕ50mm×5mm×7500mm无缝钢管11卧式农田+山地6K208+486mϕ50mm×5mm×7500mm无缝钢管11卧式农田+山地7K213+530mϕ50mm×5mm×7500mm无缝钢管11卧式林地8K217+552mϕ50mm×5mm×7500mm无缝钢管11卧式农田+山地9K224+589mϕ50mm×5mm×7500mm无缝钢管11卧式农田+山地10K234+616mϕ50mm×5mm×7500mm无缝钢管11卧式农田+山地第二期11K194+396mϕ50mm×5mm×2500mm无缝钢管36立式农田

(a) 交流电位最大值

(b) 交流电位平均值图6 第一期防护设施安装前后管道交流电位分布对比Fig. 6 Comparison of maximum (a) and average (b) AC potential distributions of pipeline before and after installing safeguard of the first stage

4.2.2 防护效果评价

在两期防护设施安装后典型测试点处管道交流电位、电流密度数据统计结果见4。由表4可见，测试管段沿线土壤电阻率小于25 Ω·m的测试点区域，典型测试点管道交流电位平均值都小于4 V；而土壤电阻率小于25 Ω·m的测试点区域，典型测试点管道交流电流密度平均值均小于60 A/m2。所有测试点均满足管道交流干扰防护效果评价指标的要求。

(a) 安装前

(b) 安装后图7 第一期防护设施安装前后典型测试点(K215+549 m)管道交流电位-时刻曲线Fig. 7 AC potential vs time curves of typical test point (K215+549 m) before (a) and after (b) installing safeguard of the first stage

5 结论与建议

(1) 当长输管道与交流电气化铁路近距离并行或交越时，临近埋地段管道会受到交流干扰影响，干扰程度与铁路牵引电流大小、两者位置关系等因素有关；受电气化铁路干扰的管道交流电位产生间隔性波动，具有明显的时间特征，与铁路机车运行时间相对应。

表4 两期防护设施安装后典型测试点处管道交流电位、电流密度数据统计
Tab. 4 Data statistics of pipeline AC potential and current density after 2 phase protection engineering(typical test points)

序号测试点位置土壤电阻率/(Ω·m)管道交流电位/V交流电流密度/(A·m-2)最大值最小值平均值最大值最小值平均值1K185+471m102.26.770.080.8314.930.181.832K187+534m15.28.040.030.72---3K194+396m58.311.930.021.8146.150.087.004K196+510m30.418.330.162.86135.971.1921.215K198+464m27.032.760.103.79273.530.8331.646K200+494m18.332.870.082.24---7K204+521m25.99.670.041.4684.270.3512.728K210+492m134.616.860.052.5428.230.084.259K213+530m47.617.150.032.3581.230.1411.1310K217+552m20.222.5102.35---11K229+598m25.89.680.090.8184.760.797.0912K235+616m24.26.320.351.49---

(2) 日东线排流工程结果表明，固态去耦合器接地排流是成熟的长输管道交流干扰防护方式，采用适当规格的固态去耦合器,以及合理的接地材料和施工方式，排流效果显著，可以有效抑制管道的交流干扰，能够满足相关标准要求。

(3) 日东线排流工程实践过程中，总结出“边施工边测试边调整”的工程经验；可以采取分期施工方式，每期施工结束后开展防护效果测试，并根据测试结果及时调整设计方案再进行施工。

(4) 固态去耦合器接地排流设施在长期运行过程中有可能会发生排流器断路、接地极接地电阻过高、连接电缆断线等故障，导致排流设施功能失效或性能降低，因此，应定期对防护设施进行维护管理[4]。

[1] 沈光霁,姜有文,王猛善,等. 阀室管道杂散电流干扰分析研究[J]. 腐蚀科学与防护技术,2014,26(1):92-94.

[2] NACE SP0177-2007 Standard practice mitigation of alternating current and lighting effects on metallic structures and corrosion control systems[S].

[3] 茅斌辉,王胜炎,胡士信,等. 强电线路下的阴极保护管道交流干扰防护措施[J]. 腐蚀与防护,2015,36(3):281-285.

[4] NACE SP0169-2013 Control of external corrosion on underground or submerged metallic piping systems[S].

AC Interference of Electric Railway with Long Transmission Pipeline and Protection

SHEN Guang-ji1, ZHAO Jian-tao2, LIU Zhen-bin2, WANG Jian-xin2, WANG Hong-lin2

(1. Shenyang Longchang Pipeline Inspection Center, Shenyang 110034, China;2. PetroChina Shandong Oil Transportation Co., Ltd., Rizhao 276800, China)

The traction power supply system of the electrified railway is based on 25 kV AC-mode of single phase operating frequency (50 Hz) in China. When long distance pipelines and electrified railways are parallel or cross closely, electric railways produce AC interference in different degrees with adjacent buried pipelines by resistive coupling, which increases the risk of pipeline corrosion. The electrical drainage by grounding using solid-state de-couplers is a domestic popular protection method for AC interference in recent years. The electrical drainage engineering practice of Rizhao-Dongming oil pipeline shows that a proper solid-state de-coupler, correct ground material and reasonable construction could inhibit AC interference with pipeline effectively, which fully meets the requirements of relevant standards.

pipeline; electric railway; AC interference; solid-state de-coupler; electrical drainage

2015-08-21

沈光霁(1984-)，工程师，硕士，主要从事管道腐蚀检测与防护技术工作，18602484842，1150984611@qq.com

10.11973/fsyfh-201612013

TG174.41

A

1005-748X(2016)12-1010-05